场地—结构体系基于性能抗震设计分析方法研究

论文摘要

由于城市建设规模的不断扩展及土地资源的减少,在存在液化、震陷及岸坡失稳等抗震不利地段亦开始大量修建高层建筑,场地非线性及稳定性对结构抗震性能影响显著。本文研究目的是在现有抗震规范“三水准二阶段”设计方法基础上,提升基于性能抗震设计理论的实用性及可实现性,并纳入场地非线性、稳定性影响因素,以服务于工程实践。主要包括以下内容:1.在建立的小型工程用强震数据库基础上提出了考虑高阶振型影响的输入地震波的选波原则,即以规范谱为基准,采用平台段反应谱的均值误差和对结构影响较大的前几阶周期附近反应谱的加权误差的双控指标进行选波。提出了完全非平稳多点人工波的模拟方法,强度非平稳特性通过传统的包络函数来考虑,频率非平稳特性通过相位差谱来体现,并且针对Clough-Penzien功率谱密度函数建议了模拟多点地震动的峰值因子的取值。2.对多级性能设计目标进行了讨论并特别就“中震不屈服”和“中震弹性”提出了若干建议。以一个多层框架结构和一个高层框架剪力墙结构为例,对小震丙类、小震乙类、中震不屈服和中震弹性四个性能目标进行了研究。工程量分析和增量动力分析表明,6度区按中震设计并不能明显提高结构的抗倒塌能力;7度和8度按中震性能目标设计的结构的抗倒塌能力会明显提高,但是工程量增加显著,所以设计时应谨慎,否则可能会无法实际实现。最后,用汶川强震记录分析了汶川地区按7度（震前）和8度（震后）抗震设防设计的框架结构的抗倒塌能力。3.提出了场地-支护结构-高层建筑抗震设计的三水准性能目标准则并具体实现,包括场地的滑移和震陷的判断标准、支护结构的抗震性能目标和支护结构对高层建筑整体稳定性的影响分析。福建某建设场地的抗震稳定分析表明,小震下场地只发生轻微震陷,但不会滑移;中震下场地会发生中等震陷,堤岸附近土体会产生一定滑移;大震下场地会发生严重震陷和滑移,将对结构产生较严重影响。支护结构的地震内力分析表明双排支护桩能够满足小震不开裂、中震不屈服、大震不坏的性能目标。4.利用生成的多点人工波分析了基岩多点激励下场地和支护结构的抗震性能。分析表明,大多数情况下多点激励会降低地表的地震动参数,减小地表的水平相对位移和竖向震陷位移,减小支护桩的地震内力反应等,但是也会放大某些地震反应,比如堤岸挡墙的最大弯矩反应和第二排支护桩的桩顶水平相对位移等。5.研究了双向地震作用下场地非线性对上部高层结构抗震性能的影响。分析表明对于高层框剪结构,考虑场地非线性反应的影响后,体系的绝对加速度、层间位移,以及构件的地震内力反应在不同的楼层均有放大现象,因此折减有时是偏危险的。场地非线性对构件不同方向地震反应的影响不同,双向地震动作用下,各楼层的层间位移、绝对加速度、构件内力的折减系数也并不相同。因此,规范中只采用单一的折减系数亦不太合理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 汶川大地震框架结构震害调查
• 1.1.1 汶川地震中钢筋混凝土框架结构的破坏情况介绍
• 1.1.2 汶川地震框架结构的震害特点
• 1.2 基于性能抗震设计发展及选题背景
• 1.2.1 基于性能抗震设计发展
• 1.2.2 论文选题背景
• 1.3 本文研究内容安排
• 2 动力时程分析中输入地震波的选择
• 2.1 工程用强震记录数据库及其反应谱
• 2.1.1 工程用强震记录数据库
• 2.1.2 地震反应谱及其与规范谱的比较
• 2.1.3 时程分析中地震记录的选择准则
• 2.2 人工波生成技术
• 2.2.1 生成人工波的常规方法
• 2.2.2 地震动的空间变化效应
• 2.2.3 多点完全非平稳人工波的生成技术
• 2.2.4 多点人工波的频谱特性
• 2.3 近断层地震动谱分析
• 2.3.1 集集地震近断层地震记录数据库
• 2.3.2 台湾集集近断层地震动的谱分析
• 2.3.3 汶川近断层地震动的分析
• 2.3.4 汶川地震与集集地震的反应谱的比较
• 2.4 实例分析
• 2.4.1 非近断层地震动作用
• 2.4.2 近断层地震动作用
• 2.5 小结
• 3 建筑结构抗震设计性能目标的讨论
• 3.1 结构抗震设计性能目标讨论
• 3.1.1 "中震不屈服"和"中震弹性"性能目标
• 3.1.2 不同性能目标的构件内力组合效应
• 3.2 不同性能目标下结构工程量分析
• 3.2.1 钢筋混凝土框架结构
• 3.2.2 钢筋混凝土框架.剪力墙结构
• 3.3 不同性能目标下框架结构的超强能力评价
• 3.3.1 抗震规范要求的抗震能力分析
• 3.3.2 结构的抗倒塌（超强）能力评价
• 3.4 汶川地震波作用下结构的响应分析
• 3.4.1 单向水平汶川波作用下框架结构的反应
• 3.4.2 双向水平汶川波作用下框架结构的反应
• 3.5 本章小结
• 4 场地稳定性及其对高层建筑抗震性能影响
• 4.1 工程概况与主要问题
• 4.1.1 工程概况
• 4.1.2 主要抗震问题
• 4.2 抗震性能目标与输入地震动
• 4.2.1 抗震性能目标的确定
• 4.2.2 输入地震动
• 4.3 场地-地基-结构体系分析模型
• 4.3.1 分析软件选择及技术要点
• 4.3.2 土体本构关系模型
• 4.3.3 土-桩-结构体系的阻尼
• 4.3.4 地基土边界条件的确定
• 4.3.5 场地稳定性评价准则
• 4.3.6 有限元分析模型
• 4.4 工程场地抗震稳定性分析
• 4.4.1 场地二维有限元模型及参数
• 4.4.2 场地自振特性及地应力平衡分析
• 4.4.3 场地的抗震稳定性分析
• 4.5 支护结构的抗震性能及其对上部结构的影响
• 4.5.1 支护方案
• 4.5.2 三维分析模型
• 4.5.3 支护结构抗震性能分析
• 4.5.4 支护结构对上部结构的影响
• 4.6 本章小结
• 5 水平多点激励对场地和支护方案抗震性能影响
• 5.1 运动方程及输入地震动
• 5.1.1 多点激励的运动方程
• 5.1.2 多点激励地震动
• 5.2 水平多点激励对地震反应的影响
• 5.2.1 多点激励对场地反应的影响
• 5.2.2 多点激励对堤岸挡墙地震反应的影响
• 5.2.3 多点激励对支护桩地震反应的影响
• 5.3 本章小结
• 6 双向地震动下场地非线性对建筑结构抗震性能影响
• 6.1 分析模型及基本参数
• 6.1.1 分析模型
• 6.1.2 输入地震动
• 6.1.3 分析步设置与接触处理
• 6.2 计算结果分析
• 6.2.1 自振特性分析
• 6.2.2 结构水平绝对加速度反应分析
• 6.2.3 结构层间位移反应分析
• 6.2.4 梁端弯矩反应分析
• 6.2.5 柱内力反应分析
• 6.2.6 剪力墙内力反应分析
• 6.2.7 计算结果的讨论
• 6.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 强震记录数据库
• 附录B 归一化振型参与系数的推导
• 附录C 多点人工波程序
• 附录D 框架结构不同抗震等级的设计基本要求和抗震措施
• 附录E 抗震墙结构不同抗震等级的设计基本要求和抗震措施
• 附录F 土的静动力特性试验研究
• 附录G "泉州中芸州工程场地抗震稳定性研究"项目审查意见
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢